基于預(yù)測控制的小型無人直升機(jī)自主飛行研究.pdf

1、直升機(jī)可以定點懸停、垂直起降,具有其它飛行器所不具有的突出優(yōu)點,廣泛應(yīng)用在航拍、偵察等各個領(lǐng)域。小型無人直升機(jī)體積小、質(zhì)量輕、成本低、結(jié)構(gòu)簡單,加載自主飛行控制系統(tǒng)以后還可以實現(xiàn)超視距飛行,能夠完成許多常規(guī)飛行器所不能完成的任務(wù)。研究開發(fā)無人直升機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實意義。然而由于無人直升機(jī)本身是一個典型的欠驅(qū)動、強(qiáng)耦合、時變、有操縱滯后的非線性系統(tǒng),開發(fā)無人直升機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)是一個頗具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。針對當(dāng)前小型無人直

2、升機(jī)飛行控制研究中存在的問題,本文以一款單旋翼帶尾槳式小型航模直升機(jī)為研究對象,設(shè)計開發(fā)了一套基于顯式預(yù)測控制(EMPC)算法的小型無人直升機(jī)自主飛行控制系統(tǒng),并通過飛行試驗進(jìn)行了實飛驗證。論文的主要工作如下：1)小型無人直升機(jī)建模和大型直升機(jī)相比,小型無人直升機(jī)沒有揮舞鉸,其主旋翼具有更強(qiáng)的剛性和更高的轉(zhuǎn)速,且主旋翼慣性效應(yīng)非常明顯,因此在建模中不僅將機(jī)體視作剛體,還將主旋翼也視作剛體,采用雙剛體建模。論文以便于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動學(xué)線性化的Ya

3、w-Pitch-Roll(YPR,航向-俯仰-橫滾角)為歐拉角,采用便于計算機(jī)求解的Kane方法詳細(xì)推導(dǎo)了小型無人直升機(jī)的運(yùn)動學(xué)方程和動力學(xué)方程,并對模型進(jìn)行了分析和簡化。2)飛行控制器設(shè)計針對常規(guī)無人直升機(jī)控制器不能有效處理執(zhí)行器約束、輸出約束以及操縱滯后等問題,本文采用預(yù)測控制算法實現(xiàn)無人直升機(jī)的飛行控制。但傳統(tǒng)的預(yù)測控制需要在線優(yōu)化,因此需要較大的計算量。為此論文引入顯式預(yù)測控制算法。顯式預(yù)測控制算法將在線優(yōu)化問題離線化,在線計算

4、時只需要查找相應(yīng)的控制區(qū)域,通過簡單的計算就可以得到控制量,因此非常適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。小型無人直升機(jī)飛行控制器分為內(nèi)環(huán)和外環(huán),內(nèi)環(huán)完成姿態(tài)控制,外環(huán)實現(xiàn)位置、速度控制。論文采用EMPC算法完成了姿態(tài)控制器、速度控制器和位置控制器的設(shè)計。3)魯棒穩(wěn)定性研究直升機(jī)在飛行中常會受到各種干擾的影響,因此控制器的魯棒性就成為衡量控制器優(yōu)良的重要指標(biāo)。為考察EMPC的魯棒穩(wěn)定性,論文研究了飛行控制器在控制信號有干擾、機(jī)體變質(zhì)量、外界風(fēng)干擾等情況下

5、的魯棒穩(wěn)定性,并和PID控制器進(jìn)行了對比分析。4)路徑跟蹤能力驗證為了驗證飛行控制器的路徑跟蹤能力,文中通過仿真實驗驗證了飛行控制器跟蹤矩形路徑和“8”字型路徑的能力。仿真實驗表明,相比PID控制EMPC控制器具有較好的路徑跟蹤能力。5)實飛試驗為驗證飛行控制器的實際飛行性能,論文首先對實飛試驗中需要知道的一些具體物理參數(shù)進(jìn)行了辨識,然后在飛行實驗室內(nèi)進(jìn)行了實飛試驗。實飛試驗表明,無人直升機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定,其俯仰角的變化范圍在-2.9°~2.

6、9°以內(nèi),橫滾角的變化范圍在-2°~2°以內(nèi),航向角變化不超過-2.9°~4.6°；無人直升機(jī)位置控制精度良好,其縱、橫向通道位置精度達(dá)到0.15m,高度控制達(dá)到0.05m,完全可以滿足工程應(yīng)用需要。6)轉(zhuǎn)向控制中的去耦問題針對直升機(jī)在轉(zhuǎn)向過程中影響平面運(yùn)動控制精度的問題,論文采用補(bǔ)償算法對控制器進(jìn)行了改進(jìn),并利用仿真和實飛試驗進(jìn)行了驗證。仿真和實飛試驗都表明,改進(jìn)的預(yù)測控制算法能夠較好的抑制這種耦合,具有較好的控制效果。圍繞小型無人直

7、升機(jī)控制器設(shè)計,本文從以上六個方面進(jìn)行了研究,其主要貢獻(xiàn)包括：論文提出將顯式預(yù)測控制應(yīng)用于6自由度小型無人直升機(jī)飛行控制；以YPR為歐拉角,采用Kane方法創(chuàng)建了小型無人直升機(jī)數(shù)學(xué)模型；基于所建模型和顯式預(yù)測控制算法設(shè)計了小型無人直升機(jī)姿態(tài)控制器、速度控制器和位置控制器；另外,對于轉(zhuǎn)向運(yùn)動和平面運(yùn)動之間的耦合論文還提出采用補(bǔ)償算法進(jìn)行改進(jìn)。論文通過仿真和實飛試驗驗證了算法的有效性,本文所提方法在理論上和應(yīng)用上都具有一定的借鑒作用和參考價